NO329609B1

NO329609B1 - Elektronisk DC-kretsbryter

Info

Publication number: NO329609B1
Application number: NO20080843A
Authority: NO
Inventors: Terje Rogne
Original assignee: Wartsila Norway As
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2010-11-22
Also published as: EP2255425A1; CN101965669A; KR20110011601A; NO20080843L; SG188791A1; US8716905B2; US20110025400A1; EA022947B1; WO2009104971A1; CN101965669B; BRPI0907838A2; EA201001214A1

Abstract

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for å koble og å bryte DC-strøm som innbefatter en tilførsels DC-strøm (DC-In) ordnet til å være koblet til et kretskort (1) og til kollektor-porten (C) av en bipolar transistor med isolert gate (IGBT). Den bipolare transistoren med isolert gate (IGBT) er ordnet til å være koblet til kretskortet (1). En utførsels DC-strøm (DC-Out) er ordnet til å være koblet til emitter-porten (E) av den bipolare transistoren med isolert gate (IGBT) og kretskortet (1). Kretskortet (1) er ordnet til å være koblet til gate-porten (G) av den bipolare transistoren med isolert gate (IGBT) og kretskortet (1) er designet til å overvåke forhåndsbestemte tilstander av innførsels og utførsels DC-strømmene (DC-In, DC-Out).

Description

OPPFINNELSENS FELT

Denne oppfinnelsen angår generelt en anordning for å koble og å bryte DC-strøm, og for å opptre som en rask sikring.

Mer spesielt angår denne oppfinnelsen en elektrisk DC-kretsbryter (E-DCB) som innbefatter en høyeffekts bipolar transistor med isolert gate (IGBT-transistor) som brukes til å koble og å bryte DC-strøm, og til å opptre som en ekstremt hurtigvirkende sikring. Oppfinnelsen er primært ment til å brukes på borerigger med atskillige motortrekk på en felles DC-kobling.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN OG BESLEKTET TEKNIKK

Kretsbrytere som er designet til å bryte DC er kommersielt tilgjengelige. Disse kommersielle DC-kretsbryterne er typisk designet til å håndtere en maksimal effektgrense på omtrent 1,5 kW. Noen av disse bruker mekaniske komponenter og noen er kun ment for bruk i små anvendelsesområder, slik som husholdningselektronikk. En annen gruppe av kommersielle DC-kretsbrytere bruker eksplosiver til å bryte kretsen, noe som introduserer behovet for komponentutskiftning og vedlikehold.

Patentsøknaden US 6,738,246 Bl viser en elektrisk kretsbryter for vern mot små og store overstrømmer. Denne oppfinnelsen opererer i spenningsområdet 100V - lkV. En mikrorelé-bryter brukes i forbindelse med en komponent for kortslutnings-strømbegrensning. Mikrorelé-bryteren er en mekanisk bryter og skrur av små overstrømmer, og komponenten for kortslutnings-strømbegrensning skrur av svært store overstrømmer. Bruken av komponenten for kortslutnings-strømbegrensning ødelegger mikrorelé-bryteren.

Patentsøknaden WO 2007/022744 Al viser en strømbegrensningsbryter som inneholder en mekanisk bryterenhet.

WO 2007/020539 tilveiebringer en strømbegrensende kretskonfigurasjon for en batteriladningskrets. Denne kretskonfigurasjonen detekterer hurtig og begrenser en hvilken som helst strømvariasjon gjennom en gate-kontrollert bryteranordning. Oppfinnelsen er ment for å brukes i portable og mobile anordninger.

DE 199 55 682 Al viser en strømbegrensnings-anordning for høye spenninger. Denne oppfinnelsen bruker eksplosiver til å åpne en strømbane. Bruken av eksplosiver innebærer behovet for å skifte ut komponenter for å gjenvinne drift av anordningen, og vedlikehold av systemet. Vedlikehold tar tid og krever reservedeler. Under vedlikeholdstid kan systemet ikke drives fullt ut.

US 2005/0002152 Al viser et feil-strømbegrensningssystem og fremgangsmåte som er basert på bruken av en kombinert rask bryter og en elektrisk sikring i parallell. Etter at en feil detekteres åpner den raske bryteren i en svært kort tid og overfører strømmen til sikringen, som er i stand til å utløses, og derved avbryte kortslutningsstrømmen. Et automatisk system tar hånd om å skifte ut det utløste låste sikringssettet med et nytt. En eksplosiv-basert kassett kan brukes i stedet for en rask bryter.

Publikasjonen "A DC Circuit Breaker for an Electric Vehicle Battery Pack" av G. Walker viser en statisk DC-kretsbryter som bruker en MOSFET. Denne løsningen håndterer spenninger i rekkevidden hundrevis av volt.

US 2002/0162033 vedrører en programmerbar styringsenhet som fjernstyrt kan anvendes til å styre inngangseffekten gjennom en elektronisk DC-bryter til en last. Bryteren er ikke koblet slik at den beskytter seg selv, med en IGBT koblet til et kretskort, og slik at ekstern strømforsyning ikke er nødvendig. Den er lite egnet for effekter i MW-området og spenninger på over 400 V og den kan ikke koble ut en feillast i DC-distribusjonsnett så raskt at driften av de andre laster ikke skades.

Eksempler på andre kjente løsninger er gitt i DE 4 108 049 som diskuterer et beskyttelsessystem for AC-systemer og er derfor ikke egnet for DC-anvendelser. US 2002/0030532 illustrerer en løsning for å unngå feil grunnet varme i en halvlederbryter som på i og for seg kjent måte har en IGBT montert på et kretskort. EP 1 811 665 diskuterer en gate-kontrollert bryter og artikkelen av Krstic, S et al; "circuit breaker technology for advanced ship power systems", Electric ship technologies Symposium 2007, ESTS apos;07. IEEE 21-23 May 2007, Pages 201-208 diskuterer en rask kretsbryter basert på IGBT og IGCT for bruk i skip.

FORMÅLET MED OPPFINNELSEN

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en elektronisk anordning som brukes for å koble og å bryte DC-strøm. Foreliggende oppfinnelse er basert på problemet med å finne en forbedret elektronisk DC-kretsbryter som kan håndtere store spenninger, opptre som en rask sikring, brukes på borerigger, motortrekk til skip og industrielle anlegg og som ikke behøver utskifting av deler for å kunne gjenopprette driften etter å ha brutt strømmen.

De ovennevnte formål for oppfinnelsen oppnås som beskrevet i de medfølgende kravene.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

De ovennevnte formål oppnås med en elektronisk likestrømsbryter (E-DCB),

omfattende en bipolar transistor med isolert gate (IGBT) og et kretskort, særpreget ved at en tilførsels DC-strømlinje (DC-ln) er koblet til både kollektor-porten (C) på IGBTen og til kretskortet, en utførsels DC-strømlinje (DC-Out) er koblet til både emitter-porten (E) på IGBTen og kretskortet, kretskortet er koblet til både gate-porten (G) på IGBTen og til en DC-minuslinje.

Likestrømsbryteren, kalt E-DCB for korthets skyld (Elektronisk DC-Bryter), håndterer høy effekt og opptrer som en ekstremt hurtigvirkende sikring slik at ingen andre transistorer på den samme DC-grupperingen påvirkes ved en intern kortslutning i én transistor. Og anordningen, i henhold til foreliggende løsning, har ikke noe behov for utskiftning eller vedlikehold av komponenter, og er primært ment å brukes på relativt store anvendelsesområder, som borerigger med atskillige motortrekk på en felles DC-kobling, motortrekk på skip eller industrielle anlegg med atskillige motortrekk på den samme DC-grupperingen.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er en anordning tilveiebrakt for å koble og å bryte DC-strøm som innbefatter en tilførsels DC-strøm ordnet til å være koblet til et kretskort og til kollektor-porten av en bipolar transistor med isolert gate. Den bipolare transistoren med isolert gate er ordnet til å være koblet til kretskortet. En utførsels DC-strøm er ordnet til å være koblet til emitter-porten av den bipolare transistoren med isolert gate og kretskortet. Kretskortet er ordnet til å være koblet til gate-porten av den bipolare transistoren med isolert gate, og kretskortet er designet til å overvåke forhåndsbestemte tilstander av innførsels og utførsels DC-strømmene.

I enda en foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen, er signaloverføringsmidler koblet til kretskortet og ordnet til å overføre kontrollkommandoer til anordningen.

I en foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse, er signaloverføringsmidlene optiske fibre. Optiske fibre, i sin natur, tilveiebringer en svært sikker tilkobling.

I en videre foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen er signaloverføringsmidlene optokoblere.

I enda en foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen har signaloverføringsmidlene galvanisk isolasjon.

I atter en foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til oppfinnelsen, er temperaturmålingsmidler koblet til kretskortet for å måle kjølelegemetemperatur. Dersom den målte kjølelegemetemperaturen overstiger en gitt grenseverdi, skrus anordningen av.

I en foretrukket utførelsesform av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse er nevnte kontrollkommandoer enten på eller av.

I enda en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er anordningen ordnet til å isolere en feil i en konverter på en felles DC-gruppering før nabokonvertere forstyrres.

I atter en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er anordningen ordnet til å sende målinger til signaloverføringsmidlene.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er målingene innkommende DC-spenning, DC-ln, utgående DC-spenning, DC-Out, strøm, Ie-dcb og kjølelegemetemperatur. Hvis disse målte variablene overstiger en forhåndsbestemt verdi, skrus anordningen av.

I videre en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er anordningen ordnet til å håndtere høy effekt, slik som 1,5 Megawatt. Denne høye effekten tilveiebringer en bruk i store anvendelsesområder.

I en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er anordningen ordnet til å brukes i store anvendelsesområder, slik som borerigger, motortrekk på skip eller industrielle anlegg.

I enda en foretrukket utførelsesform av foreliggende oppfinnelse er anordningen ordnet til å kontrollere ett DC-kondensatorbatteri mot DC-grupperingen.

KORTFATTET BESKRIVELSE AV TEGNINGEN

Tegningen vil nå bli videre beskrevet i mer detalj i den følgende detaljerte beskrivelsen med henvisning til den vedlagte tegningen.

Fig. 1 illustrerer strukturen av den elektriske DC-bryteren (E-DCB).

DETALJERT BESKRIVELSE AV FORETRUKNE UTFØRELSESFORMER

Med referanse til Fig. 1 er oppgaven til E-DCB'en å sammenkoble og frakoble DC-Out til DC-ln i henhold til mottatte kontrollsignaler.

Fig. 1 viser E-DCB'en, som innbefatter en bipolar transistor med isolert gate (IGBT) brukt til å koble og å bryte DC-strøm, og som opptrer som en ekstremt hurtigvirkende sikring. Prinsippene for en IGBT-transistor er kjent for en person øvet i faget.

Som sett i Fig. 1, er innførsels DC-strøm DC-ln koblet til et kretskort 1 og kollektor-porten C av en IGBT. En utførsels DC-strøm DC-Out er koblet til emitter-porten E av IGBTen og kretskortet 1. Kretskortet 1 er koblet til gate-porten G av IGBT, og kretskortet 1 overvåker forhåndsbestemte tilstander av innførsels og utførsels DC-strømmene DC-ln, DC-Out. En temperaturmålingsanordning 2 som måler kjølelegemetemperatur er også koblet til kretskortet 2.

Interne DC-DC-konvertere på kretskortet 1 i E-DCB'en konverterer den høye DC-spenningen, DC-ln, til nødvendige interne spenninger for elektronikken. Det er ikke noe behov for ekstra strømforsyning for å utføre denne konverteringen. Kretskortet 1 måler den innkommende DC-spenningen, DC-ln, den utgående DC-spenningen, DC-Out, strømmen, Ie-dcb, og temperaturmålingsanordningen 2 måler kjølelegemetemperaturen.

Kretskortet 1 har et par med optiske fibre 3 koblet til seg, hvorigjennom E-DCB'en kontrolleres. Optiske fibre tilveiebringer, i sin natur, en svært sikker tilkobling. Disse optiske fibre 3 er i den andre enden koblet til en hovedkontrolltavle, ikke vist, der På/Av-kommandoer gis og sendes til E-DCB'en og status kan leses. Optiske fibre 3 brukes til å kontrollere E-DCB'en fordi de tilveiebringer en svært sikker tilkobling. Ingen andre koblinger enn de optiske fibrene 3 er nødvendige. Det er også mulig å bruke f. eks. optokoblere eller et hvilket som helst signaloverføringsmiddel med galvanisk isolasjon i stedet for optiske fibre 3. Optokoblere kan brukes i et hvilket som helst tilfelle bortsett fra når de ikke oppfyller isolasjonskravene. De optiske fibrene 3 overfører kontrollkommandoer fra hovedkontrolltavlen til E-DCB'en, og E-DCB'en sender kontinuerlig målinger (innkommende DC-spenning, DC-ln, den utgående DC-spenningen, DC-Out, strømmen, Ie-dcb, kjølelegemetemperatur og utnyttingsfaktor (dynamisk termisk modell)) og statussignal (E-DCB på eller av) tilbake til hovedkontrolltavlen gjennom de optiske fibrene 3. Signalet som overføres gjennom de optiske fibrene 3 til E-DCB'en er enten statussignalet På eller statussignalet Av.

Når de optiske fibrene 3 overfører en På-kommando til E-DCB'en, lades lastkondensatoren i kretskortet gjennom pulsing av E-DCB'en med korte strømkontrollerte på-intervaller, til ett på-intervall varer mer enn 10 mikrosekunder uten å ha nådd sin strømbegrensning (f. eks. 3500A) - så rapporteres E-DCB'en på. Hvis E-DCB'en ikke når akseptkriteriet (ingen strømgrense nådd i løpet av 10 mikrosekunder registrert av en tidtaker-anordning) innen 2 sekunder, termineres ladingsfasen og en feilrapport returneres til kontrolltavlen.

Når E-DCB'en er på, overvåker den forskjellige variabler. E-DCB'en skrus av hvis de følgende eksempler på begrensninger for variablene overstiges: dersom den overvåkede strømmen er over 3500A i mer enn 10 mikrosekunder, dersom den overvåkede strømmen er over 2500A i mer enn 2 minutter, det vil si,

utnyttingsfaktor er over 103%,

- dersom den overvåkede kjølelegemetemperaturen er over 60°C.

De ovennevnte begrensningene er kun et eksempel på begrensninger for å skru av E-DCB'en. Det vil være åpenbart for en person øvet i faget at disse begrensningene kan justeres.

Når E-DCB'en skrus av på grunn av et hvilket som helst av de ovenfor nevnte kriteriene, forblir den av i 300 millisekunder. Når E-DCB'en mottar en Av-kommando fra de optiske fibrene 3 skrus den umiddelbart av. For å skru E-DCB'en på igjen må Av-kommandoen fjernes og en ny På-kommando må mottas etter de 300 millisekundene.

Hvis en full kortslutning i lasten detekteres, avbryter E-DCB'en strømmen innen 30 mikrosekunder. I samsvar med dette ser andre DC-kondensatorbatterier med sine strøm elektroniske konvertere kun et fall i DC-spenningen på mindre enn omtrent 50V, det vil si, de blir ikke forstyrret i det hele tatt av kortslutningen i deres feilende nabo-kondensatorbatteri, og fortsetter driften uavbrutt.

E-DCB'en behøver et minimum på omtrent 400V til å kjøre (en lavere spenning setter E-DCB'en i frakoblingsmodus). Den maksimale kontinuerlige spenningen er omtrent 1250V, og den maksimale toppspenningen er omtrent 1600V i 100 mikrosekunder. Disse spesifikasjonsspenningene er DC-ln og DC-Out kontra DC minus. Disse verdiene kan justeres ved å velge forskjellige IGBT'er og strømsensorer med egnede størrelser, for eksempel ved å bruke flere høyspennings IGBT'er og tilpassede kretskort kan de nevnte spenningsverdiene utvides.

I motsetning til de tradisjonelle elektroniske kretsbryterne som bruker mekaniske brytere, bruker kretsbryteren i henhold til foreliggende oppfinnelse elektronisk brytere. En IGBT brukt sammen med elektronikk danner E-DCB'en. En fordel med IGBTen som gjør den brukbar i den elektroniske bryteren er dens mulighet til å håndtere svært høye effektverdier, typisk 1,5 Megawatt. IGBTen er i stand til å håndtere svært høye effektverdier på grunn av sin indre struktur som tillater mye høyere spenningsklasser med fortsatt lavt ledningstap. Som sammenlikning, kan en MOSFET-transistor kun håndtere effekter rundt 1,5 kilowatt fordi dens ledende resistans har en kvadratisk økning med økende spenningsklasse. IGBTen er i stand til å bruke sin overstrøm og overspenningsevne på en positiv måte som tilveiebringer fordeler over andre transistorer. Foreliggende oppfinnelse bruker IGBTen på en måte slik at transistoren beskytter seg selv mot overspenning. Fordi IGBTen, og dermed E-DCB'en, kan håndtere en svært høy spenning, er det industrielle anvendelsesområdet mye bredere enn ved å bruke f. eks. en MOSFET eller andre lignende transistorer. Det industrielle anvendelsesområdet kan være for store anvendelsesområder som borerigger, motortrekk på skip etc.

En annen fordel med E-DCB'en er den høye hastigheten til sikringsfunksjonen. Funksjonen som en høyhastighets sikring tilveiebringes av naturen til IGBTen. Passive sikringer virker typisk innen minimum 10-100 millisekunder, men den hurtigvirkende E-DCB-sikringen har en hastighet i ordenen av mikrosekunder. Den ekstremt hurtigvirkende sikringen i henhold til foreliggende oppfinnelse sørger for at ingen andre transistorer på den samme DC-grupperingen påvirkes på en intern kortslutning i én transistor. Dette svært store mellomrommet i hastighet, fra millisekunder til mikrosekunder, innebærer at E-DCB-sikringen i henhold til foreliggende oppfinnelse reagerer så mye raskere enn f. eks. en passiv sikring at den har fullstendig forskjellige muligheter og anvendelsesområder.

Isolasjon av E-DCB'en med hensyn på signalene håndteres gjennom optofibre eller andre typer av signalisolasjon. Standard intern keramisk isolasjon brukes i IGBTen til å isolere mot kjølelegemet. Effekttap dirigeres vekk i kjølelegemet, hvorpå IGBTen monteres. Temperaturen av dette kjølelegemet måles av temperaturmålingsanordningen 2. Tap som trenger å kjøles vekk i kjølelegemet er omtrent 2%o av effekten som strømmer gjennom E-DCB'en.

E-DCB'en krever separate målingskort og kontrollkort i tillegg til vann eller et luftkjølt kjølelegeme. Vekten og det fysiske volumet av E-DCB'en er moderat, og kostnaden av E-DCB'en er relativt liten eller moderat.

Det er enkelt å justere E-DCB'en til forskjellige strømmer og justere begrensningene for å skru E-DCB'en på og av. Dette gjøres enkelt ved å velge IGBT'er og strømsensorer med egnede størrelser.

Et typisk anvendelsesområde for E-DCB'en er i spenningsmatede elektroniske effektkonvertere med distribuerte DC-kondensatorer, der E-DCB'en kontrollerer hvert separate DC-kondensatorbatteri mot DC-grupperingen, det vil si, én E-DCB per DC-kondensatorbatteri. Hvert separate DC-kondensatorbatteri er typisk en del av en separat elektronisk effektkonverter rundt denne kondensatoren.

I henhold til foreliggende oppfinnelse, er E-DCB'en primært ment til å brukes på borerigger med atskillige motortrekk på en felles DC-kobling.

Foreliggende oppfinnelse er også ment til å brukes på motortrekk på skip. Fremdriftsenheter og hovedfremdrift fra den samme DC-grupperingen er sammenkoblet med E-DCB'en for å beskytte hovedfremdriften fra feil i fremdriftsenhetenes drivaksler. Et annet anvendelsesområde for E-DCB'en er på industrielle anlegg som har atskillige motortrekk på den samme DC-grupperingen, med uavbrutt drift på de resterende drivaksler i tilfelle feil i én av drivakslene (ekvivalent til det ovenfor nevnte skipanvendelsesområdet).

Oppsummert kobler E-DCB'en, med en innledende ladningsfase, den distribuerte DC-kondensatoren til DC-koblingen, leder den nødvendige laststrømmen, og avbryter laststrømmen dersom den overstiger spesifiserte begrensninger. E-DCB'en avbryter en full-last kortslutning uten å bli skadet og uten behovet for å erstatte noen deler for å gjenvinne drift.

Claims

1. Elektronisk likestrømsbryter (E-DCB), omfattende en bipolar transistor med isolert gate (IGBT) og et kretskort (1), karakterisert ved at en tilførsels DC-strømlinje (DC-ln) er koblet til både kollektor-porten (C) på IGBTen og til kretskortet, en utførsels DC-strømlinje (DC-Out) er koblet til både emitter-porten (E) på IGBTen og kretskortet (1), kretskortet (1) er koblet til både gate-porten (G) på IGBTen og til en DC-minuslinje.

2. Bryter ifølge krav 1, idet minst en innretning (2,1) for måling av minst en variabel er koblet til kretskortet (1).

3. Bryter i henhold til krav 2, hvori innretningen er midler for å måle temperatur (2) koblet til kretskortet (1) for å måle kjølelegemetemperatur.

4. Bryter ifølge krav 1, idet signaloverføringsmidler (3) er koblet til kretskortet, hvilke signaloverføringsmidlene (3) med fordel har galvanisk isolasjon.

5. Bryter henhold til krav 4, idet kontrollkommandoer enten på eller av kan overføres til kretskortet med signaloverføringsmidlene.

6. Bryter i henhold til krav 1, idet den kan håndtere høy effekt, slik som 1,5 Megawatt, og høy spenning, slik som 400 volt minimum.

7. Bryter i henhold til krav 1, idet bryteren har responstid i størrelsesorden mikrosekunder i stedet for millisekunder.

8. Anvendelse av bryteren ifølge et hvilket som helst av krav 1-7 for sikring av likestrømsdistribusjon på plattformer og fartøyer, slik som borerigger og skip, og i industrielle anlegg.

9. Anvendelse ifølge krav 8, for å isolere en feil i en konverter på en felles DC-gruppering før nabokonvertere forstyrres.

10. Anvendelse ifølge krav 8, for å kontrollere et DC-kondensatorbatteri mot DC-grupperingen.